李蕊蕊,趙新節(jié),孫玉霞
1(山東省農業(yè)科學院農產品研究所,山東 濟南,250100) 2(齊魯工業(yè)大學,山東省微生物工程重點實驗室,山東 濟南,250353)
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葡萄和葡萄酒中單寧的研究進展
李蕊蕊1,2,趙新節(jié)2,孫玉霞1*
1(山東省農業(yè)科學院農產品研究所,山東 濟南,250100) 2(齊魯工業(yè)大學,山東省微生物工程重點實驗室,山東 濟南,250353)
摘要單寧是葡萄與葡萄酒中重要的酚類物質,對葡萄與葡萄酒的品質有著重要的影響。該文介紹了單寧的概念與分類,單寧在葡萄果實中的存在形式及其在果實成熟過程中的變化,單寧在葡萄酒中的存在形式及其在葡萄酒釀造過程中的變化,以及單寧的提取、分析、檢測方法等方面的研究進展,并提出了今后的研究方向。
關鍵詞單寧;葡萄;葡萄酒;分析
單寧又名單寧酸,在藥典上又稱鞣質、鞣酸,是一類由一些非常活躍的基本分子通過縮合或聚合作用形成的復雜的高分子多元酚類化合物[1]。單寧是葡萄果實中最豐富的酚類物質,主要存在于葡萄的果皮、種子、果肉和果梗中,不僅直接地影響葡萄酒的色澤、風味、品質、穩(wěn)定性和陳釀潛質,而且單寧在葡萄酒中還有沉淀蛋白質、提高結構感、抗氧化、抗自由基、穩(wěn)定色素、抗菌、防止還原味和光味的作用,是組成紅葡萄酒澀味的重要成分[2-3]。因此,對釀酒葡萄及葡萄酒中單寧的研究極為重要。
1單寧的概念與分類
植物單寧是植物的次生代謝產物。1962年Bate-Smith將單寧定義為:能沉淀生物堿、明膠及其它蛋白質,相對分子質量為500~3 000的水溶性多酚化合物[19]。常溫下單寧為淡黃色至淺棕色粉末,有特殊氣味,味極澀。溶于水、丙酮、乙醇,不溶于乙醚和氯仿。容易吸潮,在空氣中易氧化使其顏色加深,本身毒性很低[20]。植物單寧的各種性質,包括自由基清除能力和蛋白質結合能力等主要取決于化學結構特征特別是聚合度的大小[21]。根據(jù)單寧化學結構的不同,植物單寧通??煞譃樗鈫螌幒涂s合單寧[22~23]。
水解單寧,是由酸及其衍生物與葡萄糖或多元醇通過酯鍵形成的化合物,容易被酸或酶水解為糖、多元醇和酚性羧酸[24]。這類單寧主要包括葡萄糖的聯(lián)苯三酚酯(所謂的棓單寧)和鞣花酸(鞣花單寧和單寧配合物)的酯。因為含有酯鍵,它們被稱為“可水解的”[16]。葡萄酒中的水解單寧主要來自于橡木桶陳釀或釀酒過程中添加外源性單寧[25]。
縮合單寧主要來源于葡萄種子和果皮,是黃烷-3-醇聚合物,通常是由一類黃烷-3-醇及黃烷-3,4-二醇結構單元通過C4→C8(或C4→C6)鍵縮合而形成的寡聚或多聚物[16,23,26]。它包括兒茶素、表棓兒茶素、表兒茶素或連接在黃烷醇C4-C8鍵的表兒茶素沒食子酸[27-28]。在葡萄和葡萄酒中發(fā)現(xiàn)的黃烷-3-醇單體主要是(+)-兒茶素,(-)-表兒茶素和(-)-表兒茶素-3-o-沒食子酸酯[29]。在大多數(shù)典型的紅葡萄酒中。單體黃烷-3-醇類的質量濃度為40~120 mg/L的范圍內(以兒茶素計)[30]。
2葡萄果實中的單寧
2.1單寧在葡萄果實中的存在形式
在葡萄漿果中,構成單寧的聚合多酚主要分為兒茶素和原花色素兩類。單寧主要存在于葡萄的果皮、種子和果梗中[31],果皮中單寧含量低于種子,其組成也有所不同[28]。果皮中的單寧主要存在于液泡中,在接近表皮細胞處密集成群,其顆粒一直擴散到中果皮,因此厚壁細胞又被稱為“單寧細胞”[32]。且單寧與液泡膜有非常強烈的結合,不受超聲的影響[33],部分單寧結合在纖維素果膠壁上。種子中的單寧主要在種子的外部,來保護內部的胚胎,只有角質層被溶解時它才會被釋放出來[34]。單寧在果皮中含量為0.5%~4.0%,種子中的含量為2.2%~8.0%,一般占果實中單寧總含量的50%以上[35],果梗中的含量為1%~5.4%[3]。葡萄種子中單寧由(+)-兒茶素,(-)-表兒茶素,(-)-表兒茶素沒食子酸酯和原花青素P2-P9的多分子鏈構成,包括1到3個沒食子酰基。一方面,這些大分子沒食子酰基有強烈的紫外吸收,導致其在280 nm處有最大吸收。另一方面,基本分子和二聚體的含量大約為500 mg/L,,這些聚合物分子的平均聚合度(MDP)至少為10。葡萄果皮中單寧主要包括(+)-兒茶素,(-)-表兒茶素,(+)-沒食子兒茶素,(-)-表沒食子兒茶素,這些原花青素分子沒有較高的沒食子?;?,含量約為20 mg/L,其余部分包括一些聚合或縮合的生物大分子,MDP約為30。果梗中多為聚合的單寧,非膠體原花青素,與種子中單寧反應特性相似。MDP約為9[36]。種子單寧中棓酸化分子占21%~40%,高于其在果皮(3%~10%)和果梗(14%~21%)中的比例,而果皮中三羥基分子的比例(10%~30%)則明顯高于果梗(1%~6%)[3]。
2.2葡萄果實成熟過程中單寧的變化規(guī)律
葡萄成熟過程中,果皮單寧含量增加,種子單寧含量減少[15,36]。果皮中單寧的結構較為復雜,其聚合度變化不大。在顏色變化過程中,其二聚體和三聚體含量很低,在成熟過程中幾乎沒有下降,HCL指數(shù)相對恒定(12~15)。這些分子具有膠體特性,隨著成熟,它們變的越來越少,明膠指數(shù)降40%,透析指數(shù)從35降低至25。單寧在葡萄果實成熟過程中收斂性逐漸降低。隨著葡萄果實成熟,轉色后種子中單寧含量減少,其減少的程度依成熟狀況有所不同,并且與花青素的積累相關。然而,在某些情況下,種子單寧在顏色剛開始變化時迅速減少,在成熟過程中變化平穩(wěn)。種子中單寧的變化還與葡萄品種相關,有些品種單寧含量較低(赤霞珠),然而有些品種有較高的單寧含量(品麗珠,黑品諾等)。在葡萄成熟及漿果變化過程中,果梗中單寧含量都很高。在白葡萄品種中也是同樣的現(xiàn)象:果皮中單寧積累,種子中單寧降低[36]。
3葡萄酒中的單寧
3.1單寧在葡萄酒中的存在形式及其作用
單寧在葡萄酒中具有:沉淀蛋白質,提高結構感,穩(wěn)定色素,抗氧化,抗自由基,抗菌、防止還原味和光味的作用[3]。小分子聚合單寧具有與蛋白質或其他聚合體結合的特點,單寧與水溶性蛋白質結合時,使其沉淀。在口腔中單寧與唾液中引起超收斂性的糖蛋白結合反應,令人產生澀味的感覺,這種能力稱為收斂性。單寧與蛋白質結合產生收斂性與單寧的分子量有關,單寧的分子量小于500 Da時,結合蛋白質的能力低,而分子量大于3 000 Da時,基本上也沒有結合蛋白質的能力,只有分子量在500~3 000 Da之間時,才隨著酚羥基數(shù)目的增多,結合蛋白質的能力逐漸增強[37-39]。葡萄酒中起收斂作用的縮合單寧主要是由兒茶素、表兒茶素和原花色素形成的低聚合單寧,同時收斂性強弱又與聚合度、分子結構密切相關。葡萄中所含單寧數(shù)量、種類對葡萄酒口感、結構、風味以及營養(yǎng)價值具有重要影響[40]。且單寧具有抗氧化性,能夠防止紅葡萄酒在陳釀過程中變壞。單寧含量是影響葡萄酒顏色的重要因素[25]。葡萄酒的顏色一般與單寧含量正相關[4,41]。
果皮中單寧比種子中的圓滑柔和,釀酒時應合理調配兩種單寧進入酒中的比例[5]。在任何情況下,優(yōu)質葡萄酒的特點都是種子與果皮中單寧的平衡。
3.2葡萄酒釀造過程中單寧的浸提及影響因素
在釀酒過程中,單寧主要在3個階段進入酒中:1)浸漬發(fā)酵之前,一般時間相對較短(數(shù)小時至數(shù)天),是酒精發(fā)酵前的一個時期。2)酒精發(fā)酵過程中持續(xù)浸泡數(shù)天,通常為2~7 d,依情況而定。3)發(fā)酵后的浸泡,在酒精發(fā)酵后和一些酒的陳釀。它的長度是可變的,從幾天到幾個周[36]。
葡萄果實中單寧含量與酒中單寧含量沒有一定的關系,酒中單寧的含量還與釀酒過程中單寧的提取密切相關[35]。釀酒工藝對單寧浸提的影響主要在以下方面:酶處理[42],皮渣接觸[43],發(fā)酵溫度[44-45],葡萄品種和成熟度、原花青素含量、漿果破碎程度、熱處理、二氧化碳浸漬、果膠酶、浸漬時間、葡萄酒中乙醇含量等的影響[45-46]。在浸漬過程中果皮單寧被浸提,主要為花青素,細胞壁破碎后,使液泡的內容物被提取[47]。縮合單寧與細胞壁的結合很大程度上受單寧性質的影響,相互作用的強度和程度主要取決于單寧的相對分子量、構象柔性、?;酆铣潭群蛦螌幍牧Ⅲw化學[48-49]。粥化酶可以破壞單寧與細胞壁的結合,促進葡萄果皮和種子中單寧的釋放,進而增加葡萄酒中單寧[50-51]。發(fā)酵前低溫浸漬可以增加酒中葡萄籽單寧等酚類物質含量[5]。增加色素和果皮中香氣進入酒中[47]。關于乙醇對單寧提取的研究發(fā)現(xiàn):乙醇濃度為13%vol時對單寧的提取效果顯著高于6.5%或0%[52]。GONZALEZ-MANZANO等研究在模型酒中增加酒精度對原花青素單體和低聚體的提取發(fā)現(xiàn),黃烷-3-醇含量隨酒精含量的增加而增加,浸漬24 h后12.5%乙醇中含量最大[53]。酒精發(fā)酵過程中,酵母種類也影響葡萄酒的組成。例如,酵母釋放的甘露糖蛋白可以加速單寧與花青素反應[54]。此外,酵母產生的乙醛可以參與形成花青素-乙醛-黃烷-3-醇衍生物,有利于提高苦味、收斂性和酒的顏色[55]。商品單寧的主要成分是縮合單寧[56],廣泛應用于葡萄酒釀造。一些研究通過向酒中加入橡木片來提供單寧,加速酒的老化[57],改善葡萄酒結構[58],保護內源性單寧,防止氧化,防止發(fā)生還原味[59]。葡萄酒在橡木桶中陳釀的過程中,被賦予了來自橡木桶的特殊風味,并促進了單寧分子之間的聚合,使酒體變得柔和、圓潤。
4單寧的分析與檢測方法
4.1單寧的提取、分離與純化
單寧提取時樣品的狀況如樣品的貯藏、干燥和提取條件都可能導致其提取率和單寧組成結構的變化,從而導致單寧的化學、物理和生理活性發(fā)生改變。影響單寧提取的因素主要有樣品的粉碎程度、溶劑的種類、樣品與溶劑的料劑比、溫度、時間以及提取次數(shù)等。單寧樣品提取前需經粉碎成為粉末。通常較細的粉末有利于單寧提取,但是由于粉粹時間的過長,導致單寧氧化變性,過細時單寧的提取量反而減小,最適合的尺寸是100目左右[60]。單寧的提取方法種類繁多,有溫水浸提法、有機溶劑提取法、超臨界流體萃取法、超聲波法、膜技術、微波法等。其中溶劑提取法最為普遍。水是單寧的良好溶劑,但有機溶劑和水的混合體系使用更為普遍,使用的有機溶劑主要包括乙醇、甲醇、乙醚、丙醇、乙酸乙酯等。由于單寧是極性很強的水溶性酚類化合物,丙酮水溶液對單寧的溶解能力很強,能打開單寧-蛋白質間的連接鍵,因而使單寧的提取率提高[61],同時減壓蒸發(fā)易除去丙酮[21]。有相關的研究表明,加少許的水比純丙酮溶液對單寧的提取量要高,可顯著改善單寧提取效果,即可促進結合態(tài)單寧的溶解,又可減少單寧在長時間保溫提取過程中的降解和變質[62]。丙酮水溶液是目前使用最普遍的溶劑體系[17,63]。
單寧的粗提物中含有大量的糖類、蛋白質、酯類等雜質,另外單寧本身是許多結構和理化性質十分接近的混合物,因此需要進一步的分離純化。通常使用有機溶劑分步萃取的方法對單寧進行初步的純化,如甲醇可以使水解單寧中的縮酚酸鍵發(fā)生醇解,乙醚只溶解相對分子質量較小的多元酚類,乙酸乙酯可以溶解多種水解單寧及低聚的縮合單寧。對單寧的初步分離還可以采取皮粉法、滲析法、醋酸鉛沉淀法、結晶法、超濾法和氯化鈉鹽析法等[21,64]。柱色譜是目前制備純單寧及有關化合物的最主要方法,可選用的固定相有硅膠、纖維素、聚酰胺、聚苯乙烯凝膠、聚乙烯凝膠、葡聚糖凝膠等,其中又以葡聚糖凝膠Sephadex LH-20最為常用[65-66],其他一些色譜方法如薄層色譜、紙色譜、離心分配色譜等也有應用于單寧提取的報道。
4.2單寧的定量分析
單寧的結構比較復雜,因此對單寧的研究比較困難。目前雖然有多種研究單寧的定量分析方法,但是這些方法都是相對的沒有選擇性的,而且不能同時對所有的酚類做出分析。幾乎沒有一種可以適用于各種植物樣品的測定。
整體上,單寧的定量分析方法可以分為3類:基于生物作用的方法、常規(guī)方法和色譜法?;谏镒饔玫姆椒ㄖ饕械鞍踪|沉淀法。常規(guī)方法主要包括鹽酸-正丁醇法、香草醛法、皮粉法、亞硝酸鈉法和比色法(普魯士藍法、Folir-Denis法)等。色譜法主要包括尺寸排阻色譜法和反相高效液相色譜法[67]。在實際的研究工作中,需要依據(jù)具體的實驗目的和要求選擇合適的定量分析方法。當測定由單寧收斂性所帶來的生物活性及相關特性時,可采用蛋白質單寧沉淀法。由于釀酒葡萄與葡萄酒中單寧可與口腔唾液蛋白結合發(fā)生反應,蛋白質單寧沉淀法較為適用。同時,蛋白質沉淀法操作簡單,易于掌控,方便快捷,非常適合實驗操作。此方法是基于牛血清蛋白和堿性磷酸酶的共沉淀作用,堿性磷酸酶沉淀的數(shù)量顯示與出現(xiàn)的單寧的數(shù)量呈比例,因此能直接被檢測出來[35]。利用單寧和蛋白質產生的沉淀反應分離提純單寧,再將單寧溶解使其與顯色劑作用發(fā)生顯色反應,其顏色的深淺與單寧的含量呈正相關,并在510nm波長下有最大吸收。且吸光值與單寧含量在一定濃度范圍內呈線性關系[24]。測定植物樣品中的單寧含量,可采用Folin-Denis法和普魯士藍法;如測定縮合單寧的含量,可以采用鹽酸一正丁醇法和香草醛法。
4.3單寧的結構分析
由于單寧是由不同長度和4種可能的亞基構成,單寧的結構千差萬別,因此對單寧的結構分析比較困難。在葡萄單寧中,有15種亞基,雖然由C4-C8鍵連接,但仍然有105種獨特的化學結構[35],對單寧結構的分析十分的困難。但是,單寧復雜的結構影響單寧分子與各種大分子間的相互作用,特別是單寧聚合度可影響單寧與人體唾液蛋白之間的相互作用,從而影響紅葡萄酒的感官特性[49,68],因此對釀酒葡萄與葡萄酒中單寧結構的分析特別是單寧聚合度的分析十分的重要。近年來對葡萄及葡萄酒中單寧聚合度的分析主要采用液相色譜法和液相色譜質譜連用的方法[12,69]
分析植物單寧結構的方法有多種,根據(jù)原理可分為4大類:1是化學分析方法;2是色譜分離技術的分析方法;3是波譜法:4是質譜分析法。高效液相色譜(HPLC)和薄層色譜(TLC)技術可以用于鑒定樣品中所含單寧的結構類型;質譜(MS)及核磁共振(NMR)技術可對植物單寧的純化物進行結構測定;基質輔助激光解析離子化飛行時間(MALDI-TOF)質譜技術可對植物單寧混合物進行結構分析,并且此方法被證明是一種分析多分散的植物單寧聚合物的最為理想的方法[70]。ADELINE等用UHPLC-ESI-Q-ToF法對葡萄酒中原花青素裂解途徑進行了研究[71]。
5展望
由于單寧的結構復雜,分析比較困難,且其結構影響單寧分子與各種大分子間的相互作用,進而影響葡萄酒的口感和色澤,因此對釀酒葡萄與葡萄酒中單寧結構的分析特別是單寧聚合度的研究十分重要,今后應加強以下方面的研究:釀酒葡萄生長及葡萄酒釀造過程中單寧各組分之間變化規(guī)律和聚合度的研究;在結構分析的基礎上結合單寧與唾液蛋白間的反應,區(qū)分定義優(yōu)質單寧與劣質單寧;改善葡萄酒釀造工藝對葡萄酒中單寧各組分及其聚合度的研究。
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Research advances on tannins in grape berries and wine
LI Rui-rui1,2, ZHAO Xin-jie2, SUN Yu-xia1*
1(Institute of Agro-food Science and Technology, SAAS, Jinan 250100,China) 2(Shandong Key Lab of Microbial Engineering, Qilu University of Technology, Jinan 250353, China)
ABSTRACTTannins is one of the most important phenolic compounds in grape berries and wine. It has an important influence on the character of the grape and wine. The concepts and classifications of tannins, the location of tannins in grape and evolution of tannins during ripening of grape, the form of tannin in the wine and the extracting tannins during winemaking, the research progress of analysis and detection methods were introduced in this paper. The research direction in future was also put forward.
Key wordstannins; grape berries; wine; analysis
收稿日期:2015-09-23,改回日期:2015-11-10
基金項目:山東省農業(yè)重大應用技術創(chuàng)新課;山東省現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系創(chuàng)新團隊項目基金(SDAIT-03-021-12);云南省建立農科教相結合新型社會化服務項目(2014NG005)
第一作者:在讀碩士研究生(孫玉霞高級工程師為通訊作者,E-mail:sunyuxia1230@163.com)。